Untersuchung von Struktur und magnetischen Eigenschaften dünner und ultradünner Fe-Schichten auf Cu$_{3}$Au(100) mit spinaufgelöster niederenergetischer Elektronenstreuung

Rochow, R.

Book/Report

FZJ-2018-02799

Untersuchung von Struktur und magnetischen Eigenschaften dünner und ultradünner Fe-Schichten auf Cu$_{3}$Au(100) mit spinaufgelöster niederenergetischer Elektronenstreuung

Rochow, R. (Corresponding author)FZJ*

1987
Kernforschungsanlage Jülich, Verlag Jülich

Jülich : Kernforschungsanlage Jülich, Verlag, Berichte der Kernforschungsanlage Jülich 2150, 57 p. (1987)

Please use a persistent id in citations: http://hdl.handle.net/2128/18417

Report No.: Juel-2150

Abstract: Ziel der vorliegenden experimentellen Arbeit war, dünne, kubisch flächenzentrierte Fe-Schichten in der ferromagnetischen $\gamma$2-Phase mit einem Gitterparameter von mehr als 3.66 $\mathring{A}$ herzustellen und deren Magnetismus zu untersuchen. Eine $\underline{Sonde}$ für den Magnetismus dünner Schichten muß $\underline{oberflächenempfindlich}$ sein und ein $\underline{magnetisches}$ $\underline{Signal}$ liefern. $\underline{Beide}$ Forderungen werden von niederenergetischen Elektronen erfüllt. Deshalb wurde die neue Technik der$\underline{inelastische}$ $\underline{Streuung}$ $\underline{niederenergetischer}$ $\underline{Elektronen}$ $\underline{mit}$ $\underline{Spinanalyse}$ sowie die $\underline{spinpolarisierte}$ $\underline{Sekundärelektronenspektroskopie}$ als Untersuchungsmethode gewählt. Die erstgenannte Methode gestattet es, ferromagnetische Anregungen, sogenannte Stoneranregungen, zu messen. Dazu mußte im Rahmen dieser Arbeit eine $\underline{Apparatur}$ $\underline{entwickelt}$ $\underline{und}$ $\underline{aufgebaut}$ werden, die es ermöglicht, in situ dünne epitaktische Schichten aufzudampfen, zu charakterisieren und an ihnen inelastische Streuexperimente mit Spinanalyse durchzuführen. Diese Aufgabe wurde erfolgreich gelöst: Als $\underline{Substrat}$ für die dünnen fcc-Fe-Schichten wurde $\underline{CU_{3}AU}$ gewählt, das mit $\underline{3.75\mathring{A}}$ einen größeren Gitterparameter hat als die $\gamma$2 Phase des fcc Fe mit $\underline{3.66\mathring{A}}$. Zunächst wurde eine $\underline{eingehende}$ $\underline{Strukturuntersuchung}$ der aufgedampften Schichten durchgeführt.Anhand von LEED-Aufnahmen und I(V)-Kurven konnte gezeigt werden, daß Fc-Schichten bis zu einer Dicke von 7 ML epitaktisch und in kubisch flächenzentrierter Struktur mit dem Gitterparameter des Cu$_{3}AU$ von 3.75 $\mathring{A}$ auf die Cu$_{3}$Au(100)-Oberfläche aufwachsen. Durch Messung der Fe- und Cu$_{3}$Au-Augersignale als Funktion der Schichtdicke wurde gezeigt, daß die Schichten in Lagen und nicht in Inseln aufwachsen. Schichten mit einer Dicke von 500 $\mathring{A}$ und 900 $\mathring{A}$ wurden mit den gleichen Methoden als eindeutig kubisch-raumzentriert mit einem Gitterparameter von 2.85 $\mathring{A}$ in und 2.91 $\mathring{A}$ senkrecht zur Schichtebene charakterisiert. Die [100]-Richtung des Fe ist gegenüber der [100]-Richtung des Cu$_{3}$Au um 45° gedreht . Der Übergangsbereich zwischen der fcc- und der bcc-Struktur ist durch LEED Bilder mit unscharfen Punkten und I(V) Kurven mit hohem Untergrund gekennzeichnet, weshalb keine eindeutige Strukturanalyse möglich war. Danach wurden die $\underline{magnetischen}$ $\underline{Eigenschaften}$ der dünnen fcc Fe-Schichten durch inelastische Streuung niederenergetischer Elektronen mit Spinanalyse charakterisiert. Die Spinpolarisation der Sekundärelektronen des Fe bei 46 eV wurde als Funktion der Schichtdicke gemessen. Ihre Komponente $\underline{parallel}$ zur Oberfläche ist ab einer Dicke von 3.6 ML von Null verschieden. Sie erreicht bei 5.5 ML ihr Maximum von 9%. Das ist im Einklang mit neuesten Messungen von D. Pescia und Mitarbeitern /8/, die für fcc-Fe auf Cu(100) bei Schichten bis zu 5 ML eine Magnetisierung senkrecht zur Schichtebene detektierten. Für die 7 ML dicke Schicht wurde die Polarisation der 46-eV-Sekundärelektronen als Funktion des Magnetfeldes gemessen. Es ergab sich eine rechteckige Hysterese mit einer remanenten Polarisation von 14 %. Das Koerzitivfeld betrug 12.5 Oersted. Für verschiedene Schichtdicken zwischen 1 ML und 450 ML wurden spinpolarisierte Energieverlustspektren mit 20 eV und 30eV Primärenergie und 10° des außerhalb des OO-Strahls für Verluste bis etwa 9.5 eV aufgenommen. Bis 7 ML Dicke sind die Resultate im Einklang mit der von D. Bagayoko und J. Callaway gerechneten spinaufgelösten Bandstruktur des fcc-Fe und den entsprechenden d-Band-Zustandsdichten /15/. Unter oben genannten Bedingungen werden im wesentlichen Übergänge aus Zuständen des d-Bandes unterhalb der Fermienergie E$_{F}$ in leere Zustände oberhalb von E$_{F}$ angeregt. Das gemessene Maximum der Polarisation beträgt 6.5%. Es liegt bei 2.5 eV Energieverlust. Das entspricht der Energieaufspaltung zwischen Majoritäts- und Minoritätsband des am $\Gamma$-Punkt mit $\Gamma$12 bezeichneten Bandes, sowie dem Abstand des Maximums der d-Band-Zustandsdichte unter E$_{F}$ zum Maximum der Zustandsdichte über E$_{F}$ für fcc-Fe. Für Schichten mit 250 ML und 450 ML Dicke stimmen die beobachteten Energieverluste und der Verlauf der Polarisation gut mit der von J.Callaway und C.S.Wang /41/ berechneten spinaufgelösten Bandstruktur und der 3d-Zustandsdichte des bcc-Fe überein. Sie nimmt bei den Spektren mit 30 eV Primärenergie Werte zwischen -4% und +3% an. Bei den Spektren mit 20 eV Primärenergie liegt sie zwischen 6% und + 10%. Die negative Polarisation läßt sich durch Spin-flip-Übergänge erklären, bei denen der Anfangszustand ein Elektron unter E$_{F}$ im Minoritätsband hat, während sich im Endzustand ein Elektron im Majoritätsband über E$_{F}$ befindet. Solche Übergänge sollten nur in schwachen Ferromagneten möglich sein. Im Bereich zwischen fcc- und bccStruktur bei Dicken von 10 ML bis 100 ML liegen einige der Verlustmaxima bei den gleichen Energien wie bei den Schichten bis zu 7 ML Dicke. Auch der Verlauf der Polarisation stimmt mit dem dieser Schichten überein. Das Maximum liegt bei 2.9 eV und damit bei höherer Energie als bei den dünnen Schichten. Sie erreicht bei einer Schicht von 10 ML Dicke maximal+ 10%, bei einer Schicht von 100 ML über 20%. Da die Strukturbestimmung in diesem Bereich nicht eindeutig ist, können die Streuexperimente nicht umfassend interpretiert werden. Dazu sind weitere Strukturuntersuchungen nötig. Die hier vorgestellten Ergebnisse zur Struktur und zum Magnetismus dünnster Fe Schichten auf Cu$_{3}$Au für weitere Untersuchungen dar. Geplant sind Primärstrahl sowie Photoemissionsexperimente am stellen gleichzeitig die notwendige VorarbeitEnergieverlustmessungen mit spinpolarisiertem Synchrotron bei BESSY in Berlin.

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